玉米耐深播品種培育的研究

2.3個中國玉米面積分布在干旱和半干旱地區。在這些地區，早春干旱是玉米種植的最大問題。這些地區常年降水量僅300~500mm,春季降雨量更少,此時風多風大,土壤表層水分蒸發量大于降雨量,因此3~5cm的土壤表層含水量對于常規玉米品種種子的發芽是相當困難的,這些種子深播后即使發芽,也因其中胚軸短、頂土能力差而很難出苗,造成萌發期嚴重缺苗而導致玉米減產。因此,對于干旱、半干旱地區,培育中胚軸長的耐深播玉米品種很重要。耐深播玉米可利用土壤深層水分,同時耐深播玉米由于根系分布深,在后期生長中其抗倒伏能力也會增強。因此,培育具有中胚軸長的耐深播玉米新品種具有非常重要的意義。董存吉等發現美國印地安藍粒玉米在深播20~25cm條件下,可以延長胚軸,將胚芽推出土層出苗,利用具耐深播特性的藍粒玉米,育成一批優良雜交種。隨后,在逆境條件下,鐘改榮等通過耐深播種質的篩選、基因導入等遺傳育種方法,培育出耐深播種植的玉米雜交種“42107”,為干旱、半干旱地區玉米高產、穩產提供了保障。Troyer和趙光武等發現耐深播性狀與中胚軸的伸長密切相關。張磊等對46個玉米自交系的耐深播特性進行分析,發現中胚軸長與出苗率呈顯著正相關,同時篩選出了一批耐深播性強的玉米自交系。趙光武等對玉米深播脅迫的生理響應進行分析,發現深播處理后,中胚軸部位赤霉素(GA)與生長素(IAA)含量均顯著提高,中胚軸細胞顯著伸長,表明玉米耐深播的主要原因是中胚軸的顯著伸長。在分子水平上,Zhao等對赤霉素誘導的中胚軸伸長的分子機制進行研究,發現赤霉素受體GI-DI、轉錄因子MYB、編碼DELLA蛋白DWRF8的基因以及參與黃酮類化合物合成、氨基糖代謝、細胞壁合成的基因對玉米中胚軸的伸長都有重要的作用。隨后,Zhang等利用親本3681-4和-X178,通過構建的高代回交群體,在10cm、20cm深播條件下對與耐深播相關的性狀中胚軸長進行基因定位,發現玉米第1、3、4、6、7、10染色體都存在與耐深播性狀相關的QTL,但沒有克隆到控制中胚軸長的基因。與傳統雙親QTL作圖相比,全基因組關聯分析(genome-wideassociationstudy,GWAS)具有高分辨率、高通量、利于鑒定現有種質資源中的有利等位基因等優點。由于玉米重組率高,遺傳多樣性豐富,連鎖不平衡程度低,基因組含有豐富的SNP等,因此是禾谷類作物中進行SNP關聯分析的理想材料。基于上述優點,全基因組關聯分析在研究玉米復雜數量性狀方面得到了廣泛應用。Xue等通過對350個熱帶及亞熱帶玉米自交系進行全基因組關聯分析,檢測出42個抗逆相關遺傳位點;Weng等通過41101個SNP標記對284份玉米自交系的株高進行全基因組關聯分析,檢測出105個顯著關聯的遺傳位點。本研究利用41101個SNP標記對165份自交系組成的自然群體進行萌發期耐深播相關性狀的全基因組關聯分析,挖掘玉米種質中蘊含的與中胚軸長等相關的優異等位基因,為培育耐深播玉米新品種提供理論指導及為克隆與耐深播性狀相關的基因奠定基礎。1材料和方法1.1試驗材料165份玉米自交系,其中包括旱21、齊319、掖478和鄭58等我國常用的玉米自交系,材料來源于中國農業科學院作物科學研究所。1.2數據分析方法每個材料挑選子粒飽滿、大小均一的種子20粒,利用75%酒精溶液浸泡3min,3%次氯酸鈉溶液浸泡20min,無菌水沖洗干凈,對種子進行消毒,將已消毒種子胚朝上放于裝有1/2MS培養基的高壓蒸汽滅菌的試管瓶中,每個試管瓶均勻種4粒種子,瓶口用無菌封口膜密封,10d后用直尺測量中胚軸、胚芽鞘、幼苗的長度,2個重復,平均值用于統計分析。中胚軸長=從種子到胚芽鞘節之間的長度。胚芽鞘長=從胚芽鞘節到胚芽鞘頂端的長度。苗高=中胚軸和胚芽鞘接合點以上部分的長度。MS培養基:MS大量元素+MS微量元素+蔗糖+瓊脂粉,pH值為5.8。將試驗數據輸入MicrosoftExcel中,整理并利用軟件SAS9.1.3中的ANOVAProcedure、UNIVA-RIATEProcedure、CORRProcedure分別進行方差分析、描述性統計量分析和相關性分析。利用Illumina公司開發的MaizeSNP50Bead-Chip中的41101個SNP標記對165個玉米自交系組成的關聯群體進行全基因組關聯分析。分析所用的軟件為TASSELV3.0,考慮研究材料的群體結構及親緣關系,運用軟件中的混合線性模型(MLM)程序,依據P值小于0.0001,判定SNP標記與所研究性狀之間是否存在顯著性關聯。對已鑒定的顯著關聯的SNP標記,利用Maizegdb查找其所在的染色體位置以及物理位置,基于全基因組關聯分析結果,利用與研究性狀存在顯著關聯的SNP標記的序列,與B73參考序列RefGen-V2進行比對,進行與研究性狀相關的候選基因分析。2結果與分析2.1結果表1利用SAS9.1.3中的ANOVAProcedure對萌發期調查性狀的表型數據進行方差分析,結果見表1。從方差分析結果看,中胚軸長、胚芽鞘長、苗高3個性狀的2個重復之間數據都沒有達到顯著水平,而165份自交系在3個性狀間的差異均達到極顯著水平(P<0.01),說明不同自交系在3個性狀的遺傳上存在差異,進行耐深播玉米品種的選育時,以這3個性狀作為評價指標進行選擇是行之有效的方法。2.21自交系的基本特征調查的165份自交系中,中胚軸長度大于7.79cm的自交系有13份,占鑒定總數的7.88%;中胚軸長度在5.63~7.79cm的自交系有43份,占鑒定總數的26.06%;中胚軸長度小于5.63cm的自交系有109份,占鑒定總數的66.06%。利用SAS9.1.3中的UNIVARIATE、CORR程序分別對中胚軸長、胚芽鞘長、苗高進行基本統計量分析及相關性分析,結果見表2。中胚軸長、胚芽鞘長、苗高的平均值分別為4.995cm、3.758cm、8.964cm;變異系數分別為8.875%、11.077%、15.083%。從4個性狀的變異看,苗高的變異最大,中胚軸長的變異最小。3個性狀的相關性分析表明,中胚軸長與苗高間呈極顯著負相關,胚芽鞘長與苗高間呈極顯著負相關,中胚軸長與胚芽鞘長間的相關性不顯著(表2)。2.3顯著性關聯snp的snp的鑒定采用TASSELV3.0軟件的MLM模型程序,對165份自交系萌發期的中胚軸長、胚芽鞘長、苗高進行全基因組關聯分析,圖2、圖3分別為全基因組關聯分析的QQ圖及Manhattan圖。依據P<0.0001,共檢測出5個顯著性關聯的SNP。其中與中胚軸長性狀相關的SNP有3個,分別為SYN20730、PZE-110020253、PZE-110040848,位于染色體框10.03;與苗高相關的SNP有2個,分別為PZE-105093551和PZE-105098349,位于染色體框5.04。對鑒定的5個SNP位點進行候選基因分析,共發掘出4個候選基因,分別為GRMZM2G149580、GRMZM2G037378、GRMZM2G078906、GRMZM2G035506,編碼的產物分別為酰基載體蛋白ACP4、含plus-3結構域的蛋白、含FAD結構域的蛋白和過氧化物酶亞家族蛋白,結果見表3。3討論3.11材料的耐深播性具有耐深播性的玉米,在播種20cm條件下,可以相應延長其中胚軸,將胚芽推向適宜土層而出苗,這就為干旱、半干旱地區的春播提供了條件。為便于比較各自交系間的耐深播性,根據結果,提出可以群體的平均值加或減一個標準差,依據中胚軸的長度,將群體分為3種類型:強耐深播型(中胚軸長度>7.79cm)、中間類型(中胚軸長度在5.63~7.79cm)、弱耐深播類型(中胚軸長度<5.63cm)。中胚軸的長度隨著播種深度的變化而變化,播種越深,中胚軸的長度越長。本研究利用1/2MS培養基對165份玉米自交系的中胚軸長度進行測量并依據上述標準來評價耐深播性。165份自交系中中胚軸長度大于7.79cm的材料有13份,占鑒定總數的7.78%,包括東91、丹黃02、8902、東156、3189、本M130、48-2、甸11、B84、K10、W24、2002F22、ES40,這些材料為強耐深播類型;165份自交系中,弱耐深播類型材料占鑒定總數的66.06%,可見目前多數自交系表現為不耐深播,所以在干旱、半干旱地區,為了確保玉米產量能夠穩產、高產,迫切需要培育耐深播性強的玉米新品種。3.2全組相關性分析3.3基因充質fad對鑒定的5個與中胚軸長度、苗高顯著關聯的SNP標記進行分析,共發掘出4個候選基因,分別為GRMZM2G149580、GRMZM2G037378、GRMZM2G078906、GRMZM2G035506。GRMZM2G149580位于染色體框10.03,編碼產物為酰基載體蛋白ACP4(Acylcarrierprotein),在幼苗發育階段葉片、根及干的種子中均有表達,其表達受光照上調。ACP4表達受阻,會影響脂肪酸的合成以及光合作用能力。GRMZM2G037378位于染色體框10.03,編碼一個含plus-3結構域的蛋白VIP5,基因VIP可通過激活MADSbox基因FLC的表達而抑制植物開花,參與組蛋白的修飾,在植物生長發育中有重要功能。GRMZM2G078906編碼含FAD結構域的蛋白,FAD是琥珀酸脫氫酶的輔基,是呼吸鏈中的一個重要成分,參與呼吸作用中的氧化還原反應過程,編碼該產物的基因在種子萌發過程中可能發揮作用。GRMZM2G035506編碼產物為過氧化物酶亞家族蛋白,過氧化物酶包括3個亞家族,可能與植物生長激素代謝有關,參與種子萌發、細胞分裂及根的生長等過程。上述基因可能與種子的萌發過程有關,對以上基因進行分析,可為進一步揭示耐深播的分子機制奠定基礎。關聯分析(AssociationAnalysis)又稱關聯作圖(AssociationMapping),是一種基于連鎖不平衡的作圖方法。該方法利用不同位點等位基因之間的連鎖不平衡,進行標記與性狀間的相關性分析,從而鑒定與表型性狀變異密切相關的功能性等位基因。近年來,隨著越來越多植物基因組序列的測定,關聯分析已廣泛應用于植物復雜數量性狀的研究。本研究利用41101個SNP標記對165份玉米自交系組成的自然群體進行萌發期耐深播相關性狀的全基